一种用于远距离目标探测的激光雷达的制作方法
一种用于远距离目标探测的激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光雷达，特别是一种用于远距离目标探测的激光雷达。
【背景技术】
[0002]随着人类航天活动的日益频繁，在轨的航天器和空间碎片数量逐渐增多。在人们共享太空时代带来的便利的同时，围绕着地球的空间(尤其是低轨、极轨和地球同步轨道)正变得越来越拥挤。截至2013年8月7日，SSN编目的在轨废弃物数量已达16801个。而无法编目的微小废弃物重量已达几千吨，数量超过200亿，可造成航天器不同程度的损伤甚至功能失效。
[0003]然而，由于地基空间目标探测系统探测能力有限，目前只能探测LE0轨道10cm以上的碎片、GE0轨道30cm以上的碎片。而1?10cm的碎片若与航天器碰撞又足以引起航天器致命性损伤，且其运动速度较快，若采用轨道机动策略规避碎片，需要提前一定时间对其运动轨迹进行预测。对未编目目标轨道预测的方法通常是测量与目标的相对方位和距离。
[0004]激光具有非常高的准直性，其能量集中，方位指向精确，非常适合远距离测距。使用扫描机制的激光雷达可以满足在远距离、小视场内对碎片的探测。但是由于碎片运动方向具有随机性，可能具有很大的切向速度，为了躲避和编目碎片，需要使用大视场、高帧率探测设备进行识别跟踪，而传统扫描激光雷达很难达到这种要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，解决远距离(距离大于10km)、高速度(速度高于1.5km/s)、小目标(面积小于100cm2)的高精度距离和方位探测和跟踪问题，大大降低了由于扫描激光雷达瞬时视场限制导致的探测失败概率。
[0006]本发明目的通过如下技术方案予以实现:
[0007]提供一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；
[0008]激光发射器用于发射激光；
[0009]激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；
[0010]处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达的距离。
[0011]优选的，还包括二维转台，固定所述激光与可见光探测系统、激光发射器，激光与可见光探测系统和激光发射器;处理器根据计算出的目标方位信息调整二维转台，使得目标处于激光探测系统的探测视场内，根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达间的距离。
[0012]优选的，目标的方位信息的获取方法如下:处理器在图像中提取目标可见光信息，根据相邻两幅图像中目标位置的变化，计算目标移动方向和速度，计算方位信息。
[0013]优选的，激光与可见光探测系统还包括脉冲发射计时单元，激光发射器发射的脉冲激光经分光后，一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间，并将激光发射的初始时间发送给处理器，另一路向目标发射。
[0014]优选的，激光发射器发出的激光发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。
[0015]优选的，激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。
[0016]优选的，激光发射器发射能量为10-20J。
[0017]优选的，所述目标为空间碎片，所述激光雷达固定在航天器上探测空间碎片的初轨，并进行编目。
[0018]优选的，可见光光学探测系统采用可见光相机的光学探测系统，包括可见光光学接收系统、C⑶探测器和A/D采集器。
[0019]优选的，所述分光器为镀膜反射镜。
[0020]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0021](1)本发明将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，大大减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸。
[0022](2)本发明使用扫描装置对视场内进行扫描，在同等探测能力的条件下降低了激光平均功率，更加适合星上使用。
[0023](3)本发明使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光雷达接收光学系统与可见光相机中心视场重合，从而实现大视场可见光相机对激光雷达的引导，提高系统对目标的捕获概率。使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光发射扫描不影响接收系统。
[0024](4)本发明提出一种大视场可探测远距离、小尺寸目标距离和方位的激光雷达，可计算空间尚未编目的小尺寸碎片运行轨道，通过多次交会探测，可最终对其进行编目，进而保护在轨航天器的运行安全。
【附图说明】
[0025]图1为本发明激光与可见光探测系统光路原理图
[0026]图2为本发明激光与可见光探测系统的剖面图；
[0027]图3为本发明激光扫描发射器组成示意图；
[0028]图4为本发明激光雷达系统组成示意图。
【具体实施方式】
[0029]本发明提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，经过可见光相机对目标精确定位，转动接收光学系统使目标位于视场中心位置，在小视场内使用强激光扫描目标，得到目标高精度距离信息。
[0030]由于小碎片尺寸非常小，其反射截面非常小，虽然激光方向性很好，但是在10公里以外的光束截面积远大于小碎片尺寸，导致小碎片激光反射效率很低。除此之外，碎片表面材料漫反射、碎片自旋、接收光学系统效率，都会降低激光反射后的能量，导致激光利用率进一步降低。若使用发散角较大的光束覆盖小视场，对于其中目标面阵成像，那么对激光器的发射功率要求极高。由于星上设备体积重量有明确要求，高功率激光器体积重量难以满足要求，所以必须降低激光器发射功率，减小激光光束发散角，从而降低激光输出功率，因此使用扫描型激光雷达对小视场内进行扫描。
[0031]传统扫描激光雷达的发射系统和接收系统共光路，使用二维扫描镜进行视场扫描。但是由于激光雷达需要使用可见光相机进行引导，激光雷达接收光学系统如果能够与可见光相机复合，将降低系统算法难度，并且减轻系统重量。因此，系统使用扫描发射、面阵接收的激光雷达对小碎片进行探测。
[0032]参见图2系统包括以下部分:激光与可见光探测系统、激光发射器、星上处理器；
[0033]参见图3激光发射器用于发射激光，包括脉冲激光器8、分光镜5、激光整形扩束光学系统6、激光发射光学系统、PIN、脉冲发射计时单元。脉冲激光器发射的激光经分光镜分光后，一路经激光整形扩束光学系统进行整形扩束后，由激光发射光学系统发射进行目标探测；另一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间。激光发射器发出的激光经整形扩束后发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。激光雷达发射光学系统安装有振镜7，用于在视场内扫描。激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。
[0034]激光与可见光探测系统包括系统主镜1、分光器4、可见光光学探测系统2、激光探测系统3、二维转台11;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器4分光后，激光进入激光探测系统3，激光探测系统将激光到达激光探测系统3的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统2，可见光光学探测系统2将图像信息发送到处理器；
[0035]参见图1可见光光学探测系统包括可见光光学接收系统、(XD探测器、A/D采集器，均采用可见光相机的现有装置。
[0036]激光探测系统包括激光雷达光学接收系统，APD探测器，脉冲到达计时单元，将激光到达时刻发送给处理器。
[0037]处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息包括偏航、俯仰角度;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻和激光发射的初始时间，计算目标距离。< br>[0038]参见图4，二维转台11，用于固定所述激光与可见光探测系统10、激光发射器9，激光与可见光探测系统10，处理器采用星上处理器;处理器根据目标的方位信息调整二维转台，使得目标处于激光探测系统的探测视场内，探测目标距离；
[0039]参见图1，可见与激光接收系统共用接收光学系统主镜1，光束进入光学系统主镜分光路为两束，经过滤镜将激光波段反射到激光部分光路中，最后会聚在AH)阵列上，其他光束经过旋转滤光片后在增强可见光阵列探测器成像。激光大视场扫描部分与光学接收系统固联，激光器发射的光束经过扩束整形，进入到小视场扫描振镜，使激光在激光成像系统视场范围内扫描。整个系统安装在二维转台上，可见光探测器获取目标位置后，可以通过二维转台，使目标在光学系统中的位置转移到视场中心，使激光扫描系统能够探测目标距离。
[0040]使用脉冲激光器发射出的激光经过分光镜到PIN管上，记录下激光发射的初始时间，激光经过整形扩束后由发射光学系统发出，经目标表面反射后被接收光学系统主镜收集，被镀膜反射镜反射后进入激光雷达光学接收系统，最终被面阵APD探测器接收，并经计算得到激光脉冲的飞行时间。而其它波段将透过镀膜反射镜，进入到可见光光学接收系统，在CCD探测器表面成像后输入到图像存储器中。
[0041]空间小目标探测的扫描发射面阵接收激光雷达装置使用方法，具体步骤如下:
[0042]1、可见光相机用于目标远距离、宽视场目标方位信息(偏航、俯仰角度)探测。由于可见光相机探测有效距离比激光雷达远，得到空间小目标可见光信息后，使用星图匹配或运动目标探测算法，提取到待探测的空间碎片。
[0043]2、利用相邻两幅图像中空间碎片位置变化，可以在远距离初步得到空间碎片的移动方向和切向速度，此外可以通过滤波器获得其方位、飞行方向与速度。根据轨迹预测情况随时调整接收光学系统的光轴方向，使光轴大致对准空间碎片的位置。由于可见光相机与激光雷达接收系统前端共光路，此时碎片已经完全进入到激光雷达接收视场内。
[0044]3、激光器发出的激光经过二维振镜扫描，使激光在1°左右的范围之内进行扫描。由于空间碎片在空间飞行的最大横向速度分量低于激光雷达在视场内的扫描速度，所以空间碎片会在视场内某位置被激光照射到。当空间碎片逐渐接近飞行器，进入到激光雷达有效探测距离内，目标反射后的回波能量将高于AH)探测器的阈值，经过激光雷达解算得到空间碎片的相对距离。
[0045]4、由于激光雷达存在虚警率，若其探测结果与实际距离值相差过大，或者AH)面阵探测器目标位置之外存在虚警目标，需要使用一定的方法降低虚警率。由于激光扫描振镜的扫描速度极快，所以使用三判二等多次探测的方法大大降低激光雷达虚警率，即对三次探测的时间A1，A2，A3分别进行两两取差计算，若A1A2是真值，A3与其数值像差很大，那么A1-A3、A2-A3，都不符合要求，应剔除A3。若A1是真值，A2A3与真值数值像差很大，那么应不存在符合阈值的差值，此时不能判断真值。当探测器一次探测虚警率为P时，三判二成功后其虚警率应低于P*P* (l-P)o当差值在阈值范围外时，剔除对应做差的数据。使用激光发射器的编码的时间信息，得到其回波时间，进而得到目标高精度距离信息。
[0046]5、使用可见光图像的空间碎片方位信息，以及激光雷达高精度距离信息，进行坐标转换得到目标相对地球坐标，利用空间碎片数据资料，即激光雷达观测得到的目标方位和距离信息可以计算其轨道信息的数据资料，并从中选择适宜的数据段，即误差小的数据段，利用三元素单位矢量法(UVM1)等进行轨道计算，可得到碎片初轨，通过多次测量还可以对其进行编目。
[0047]本发明的激光雷达经实践，当被探测目标尺寸为Φ50mm时，激光雷达探测距离可达10km，其可探测最大视场为30°，面阵探测视场为2°，其中激光器发射能量为10J，脉冲重复频率为ΙΟΚΗζ，接收光学系统直径Φ150_。
[0048]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0049]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:包括激光与可见光探测系统(10)、激光发射器(9)、处理器； 激光发射器(9)用于发射激光； 激光与可见光探测系统(10)包括系统主镜(1)、分光器(4)、可见光光学探测系统(2)、激光探测系统(3);经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜(1)收集，经分光器(4)分光后，激光进入激光探测系统(3)，激光探测系统(3)将激光到达激光探测系统(3)的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统(2)，可见光光学探测系统(2)将图像信息发送到处理器； 处理器接收可见光光学探测系统(2)发送的图像信息，计算目标的方位信息;根据接收激光探测系统(3)发送的激光到达时刻，计算目标与激光雷达间的距离。2.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:还包括二维转台(11)，固定所述激光发射器(9)和激光与可见光探测系统(10);处理器根据由可见光图像计算出的目标方位信息调整二维转台(11)，使得目标处于激光探测系统(3)的探测视场内，根据接收激光探测系统(3)发送的激光到达时刻，计算目标与激光雷达间的距离。3.根据权利要求2所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:目标的方位信息的获取方法如下:处理器在图像中提取目标可见光信息，根据相邻两幅图像中目标位置的变化，计算目标移动方向和速度，计算方位信息。4.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光与可见光探测系统(3)还包括脉冲发射计时单元，激光发射器发射的脉冲激光经分光后，一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间，并将激光发射的初始时间发送给处理器，另一路向目标发射。5.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光发射器发射能量为10-20 J。6.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光发射器发出的激光发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。7.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。8.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:所述目标为空间碎片，所述激光雷达固定在航天器上探测空间碎片的初轨，并进行编目。9.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:可见光光学探测系统(3)采用可见光相机的光学探测系统，采用可见光相机的可见光光学接收系统、CCD探测器和A/D采集器。10.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:所述分光器(4)为镀膜反射镜。
【专利摘要】本发明涉及一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统；经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器；可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；处理器根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离；接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息。本发明将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸，减轻了系统重量。
【IPC分类】G01S17/66, G01S17/42
【公开号】CN105487082
【申请号】CN201510802530
【发明人】韩旭, 李志 , 尹建凤, 林亲
【申请人】中国空间技术研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光雷达，特别是一种用于远距离目标探测的激光雷达。
【背景技术】
[0002]随着人类航天活动的日益频繁，在轨的航天器和空间碎片数量逐渐增多。在人们共享太空时代带来的便利的同时，围绕着地球的空间(尤其是低轨、极轨和地球同步轨道)正变得越来越拥挤。截至2013年8月7日，SSN编目的在轨废弃物数量已达16801个。而无法编目的微小废弃物重量已达几千吨，数量超过200亿，可造成航天器不同程度的损伤甚至功能失效。
[0003]然而，由于地基空间目标探测系统探测能力有限，目前只能探测LE0轨道10cm以上的碎片、GE0轨道30cm以上的碎片。而1?10cm的碎片若与航天器碰撞又足以引起航天器致命性损伤，且其运动速度较快，若采用轨道机动策略规避碎片，需要提前一定时间对其运动轨迹进行预测。对未编目目标轨道预测的方法通常是测量与目标的相对方位和距离。
[0004]激光具有非常高的准直性，其能量集中，方位指向精确，非常适合远距离测距。使用扫描机制的激光雷达可以满足在远距离、小视场内对碎片的探测。但是由于碎片运动方向具有随机性，可能具有很大的切向速度，为了躲避和编目碎片，需要使用大视场、高帧率探测设备进行识别跟踪，而传统扫描激光雷达很难达到这种要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，解决远距离(距离大于10km)、高速度(速度高于1.5km/s)、小目标(面积小于100cm2)的高精度距离和方位探测和跟踪问题，大大降低了由于扫描激光雷达瞬时视场限制导致的探测失败概率。
[0006]本发明目的通过如下技术方案予以实现:
[0007]提供一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；
[0008]激光发射器用于发射激光；
[0009]激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；
[0010]处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达的距离。
[0011]优选的，还包括二维转台，固定所述激光与可见光探测系统、激光发射器，激光与可见光探测系统和激光发射器;处理器根据计算出的目标方位信息调整二维转台，使得目标处于激光探测系统的探测视场内，根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达间的距离。
[0012]优选的，目标的方位信息的获取方法如下:处理器在图像中提取目标可见光信息，根据相邻两幅图像中目标位置的变化，计算目标移动方向和速度，计算方位信息。
[0013]优选的，激光与可见光探测系统还包括脉冲发射计时单元，激光发射器发射的脉冲激光经分光后，一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间，并将激光发射的初始时间发送给处理器，另一路向目标发射。
[0014]优选的，激光发射器发出的激光发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。
[0015]优选的，激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。
[0016]优选的，激光发射器发射能量为10-20J。
[0017]优选的，所述目标为空间碎片，所述激光雷达固定在航天器上探测空间碎片的初轨，并进行编目。
[0018]优选的，可见光光学探测系统采用可见光相机的光学探测系统，包括可见光光学接收系统、C⑶探测器和A/D采集器。
[0019]优选的，所述分光器为镀膜反射镜。
[0020]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0021](1)本发明将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，大大减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸。
[0022](2)本发明使用扫描装置对视场内进行扫描，在同等探测能力的条件下降低了激光平均功率，更加适合星上使用。
[0023](3)本发明使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光雷达接收光学系统与可见光相机中心视场重合，从而实现大视场可见光相机对激光雷达的引导，提高系统对目标的捕获概率。使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光发射扫描不影响接收系统。
[0024](4)本发明提出一种大视场可探测远距离、小尺寸目标距离和方位的激光雷达，可计算空间尚未编目的小尺寸碎片运行轨道，通过多次交会探测，可最终对其进行编目，进而保护在轨航天器的运行安全。
【附图说明】
[0025]图1为本发明激光与可见光探测系统光路原理图
[0026]图2为本发明激光与可见光探测系统的剖面图；
[0027]图3为本发明激光扫描发射器组成示意图；
[0028]图4为本发明激光雷达系统组成示意图。
【具体实施方式】
[0029]本发明提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，经过可见光相机对目标精确定位，转动接收光学系统使目标位于视场中心位置，在小视场内使用强激光扫描目标，得到目标高精度距离信息。
[0030]由于小碎片尺寸非常小，其反射截面非常小，虽然激光方向性很好，但是在10公里以外的光束截面积远大于小碎片尺寸，导致小碎片激光反射效率很低。除此之外，碎片表面材料漫反射、碎片自旋、接收光学系统效率，都会降低激光反射后的能量，导致激光利用率进一步降低。若使用发散角较大的光束覆盖小视场，对于其中目标面阵成像，那么对激光器的发射功率要求极高。由于星上设备体积重量有明确要求，高功率激光器体积重量难以满足要求，所以必须降低激光器发射功率，减小激光光束发散角，从而降低激光输出功率，因此使用扫描型激光雷达对小视场内进行扫描。
[0031]传统扫描激光雷达的发射系统和接收系统共光路，使用二维扫描镜进行视场扫描。但是由于激光雷达需要使用可见光相机进行引导，激光雷达接收光学系统如果能够与可见光相机复合，将降低系统算法难度，并且减轻系统重量。因此，系统使用扫描发射、面阵接收的激光雷达对小碎片进行探测。
[0032]参见图2系统包括以下部分:激光与可见光探测系统、激光发射器、星上处理器；
[0033]参见图3激光发射器用于发射激光，包括脉冲激光器8、分光镜5、激光整形扩束光学系统6、激光发射光学系统、PIN、脉冲发射计时单元。脉冲激光器发射的激光经分光镜分光后，一路经激光整形扩束光学系统进行整形扩束后，由激光发射光学系统发射进行目标探测；另一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间。激光发射器发出的激光经整形扩束后发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。激光雷达发射光学系统安装有振镜7，用于在视场内扫描。激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。
[0034]激光与可见光探测系统包括系统主镜1、分光器4、可见光光学探测系统2、激光探测系统3、二维转台11;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器4分光后，激光进入激光探测系统3，激光探测系统将激光到达激光探测系统3的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统2，可见光光学探测系统2将图像信息发送到处理器；
[0035]参见图1可见光光学探测系统包括可见光光学接收系统、(XD探测器、A/D采集器，均采用可见光相机的现有装置。
[0036]激光探测系统包括激光雷达光学接收系统，APD探测器，脉冲到达计时单元，将激光到达时刻发送给处理器。
[0037]处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息包括偏航、俯仰角度;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻和激光发射的初始时间，计算目标距离。< br>[0038]参见图4，二维转台11，用于固定所述激光与可见光探测系统10、激光发射器9，激光与可见光探测系统10，处理器采用星上处理器;处理器根据目标的方位信息调整二维转台，使得目标处于激光探测系统的探测视场内，探测目标距离；
[0039]参见图1，可见与激光接收系统共用接收光学系统主镜1，光束进入光学系统主镜分光路为两束，经过滤镜将激光波段反射到激光部分光路中，最后会聚在AH)阵列上，其他光束经过旋转滤光片后在增强可见光阵列探测器成像。激光大视场扫描部分与光学接收系统固联，激光器发射的光束经过扩束整形，进入到小视场扫描振镜，使激光在激光成像系统视场范围内扫描。整个系统安装在二维转台上，可见光探测器获取目标位置后，可以通过二维转台，使目标在光学系统中的位置转移到视场中心，使激光扫描系统能够探测目标距离。
[0040]使用脉冲激光器发射出的激光经过分光镜到PIN管上，记录下激光发射的初始时间，激光经过整形扩束后由发射光学系统发出，经目标表面反射后被接收光学系统主镜收集，被镀膜反射镜反射后进入激光雷达光学接收系统，最终被面阵APD探测器接收，并经计算得到激光脉冲的飞行时间。而其它波段将透过镀膜反射镜，进入到可见光光学接收系统，在CCD探测器表面成像后输入到图像存储器中。
[0041]空间小目标探测的扫描发射面阵接收激光雷达装置使用方法，具体步骤如下:
[0042]1、可见光相机用于目标远距离、宽视场目标方位信息(偏航、俯仰角度)探测。由于可见光相机探测有效距离比激光雷达远，得到空间小目标可见光信息后，使用星图匹配或运动目标探测算法，提取到待探测的空间碎片。
[0043]2、利用相邻两幅图像中空间碎片位置变化，可以在远距离初步得到空间碎片的移动方向和切向速度，此外可以通过滤波器获得其方位、飞行方向与速度。根据轨迹预测情况随时调整接收光学系统的光轴方向，使光轴大致对准空间碎片的位置。由于可见光相机与激光雷达接收系统前端共光路，此时碎片已经完全进入到激光雷达接收视场内。
[0044]3、激光器发出的激光经过二维振镜扫描，使激光在1°左右的范围之内进行扫描。由于空间碎片在空间飞行的最大横向速度分量低于激光雷达在视场内的扫描速度，所以空间碎片会在视场内某位置被激光照射到。当空间碎片逐渐接近飞行器，进入到激光雷达有效探测距离内，目标反射后的回波能量将高于AH)探测器的阈值，经过激光雷达解算得到空间碎片的相对距离。
[0045]4、由于激光雷达存在虚警率，若其探测结果与实际距离值相差过大，或者AH)面阵探测器目标位置之外存在虚警目标，需要使用一定的方法降低虚警率。由于激光扫描振镜的扫描速度极快，所以使用三判二等多次探测的方法大大降低激光雷达虚警率，即对三次探测的时间A1，A2，A3分别进行两两取差计算，若A1A2是真值，A3与其数值像差很大，那么A1-A3、A2-A3，都不符合要求，应剔除A3。若A1是真值，A2A3与真值数值像差很大，那么应不存在符合阈值的差值，此时不能判断真值。当探测器一次探测虚警率为P时，三判二成功后其虚警率应低于P*P* (l-P)o当差值在阈值范围外时，剔除对应做差的数据。使用激光发射器的编码的时间信息，得到其回波时间，进而得到目标高精度距离信息。
[0046]5、使用可见光图像的空间碎片方位信息，以及激光雷达高精度距离信息，进行坐标转换得到目标相对地球坐标，利用空间碎片数据资料，即激光雷达观测得到的目标方位和距离信息可以计算其轨道信息的数据资料，并从中选择适宜的数据段，即误差小的数据段，利用三元素单位矢量法(UVM1)等进行轨道计算，可得到碎片初轨，通过多次测量还可以对其进行编目。
[0047]本发明的激光雷达经实践，当被探测目标尺寸为Φ50mm时，激光雷达探测距离可达10km，其可探测最大视场为30°，面阵探测视场为2°，其中激光器发射能量为10J，脉冲重复频率为ΙΟΚΗζ，接收光学系统直径Φ150_。
[0048]以上所述，仅为本发明最佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0049]本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1.一种用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:包括激光与可见光探测系统(10)、激光发射器(9)、处理器； 激光发射器(9)用于发射激光； 激光与可见光探测系统(10)包括系统主镜(1)、分光器(4)、可见光光学探测系统(2)、激光探测系统(3);经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜(1)收集，经分光器(4)分光后，激光进入激光探测系统(3)，激光探测系统(3)将激光到达激光探测系统(3)的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统(2)，可见光光学探测系统(2)将图像信息发送到处理器； 处理器接收可见光光学探测系统(2)发送的图像信息，计算目标的方位信息;根据接收激光探测系统(3)发送的激光到达时刻，计算目标与激光雷达间的距离。2.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:还包括二维转台(11)，固定所述激光发射器(9)和激光与可见光探测系统(10);处理器根据由可见光图像计算出的目标方位信息调整二维转台(11)，使得目标处于激光探测系统(3)的探测视场内，根据接收激光探测系统(3)发送的激光到达时刻，计算目标与激光雷达间的距离。3.根据权利要求2所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:目标的方位信息的获取方法如下:处理器在图像中提取目标可见光信息，根据相邻两幅图像中目标位置的变化，计算目标移动方向和速度，计算方位信息。4.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光与可见光探测系统(3)还包括脉冲发射计时单元，激光发射器发射的脉冲激光经分光后，一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间，并将激光发射的初始时间发送给处理器，另一路向目标发射。5.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光发射器发射能量为10-20 J。6.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光发射器发出的激光发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。7.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。8.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:所述目标为空间碎片，所述激光雷达固定在航天器上探测空间碎片的初轨，并进行编目。9.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:可见光光学探测系统(3)采用可见光相机的光学探测系统，采用可见光相机的可见光光学接收系统、CCD探测器和A/D采集器。10.根据权利要求1所述的用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于:所述分光器(4)为镀膜反射镜。
【专利摘要】本发明涉及一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统；经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器；可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；处理器根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离；接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息。本发明将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸，减轻了系统重量。
【IPC分类】G01S17/66, G01S17/42
【公开号】CN105487082
【申请号】CN201510802530
【发明人】韩旭, 李志 , 尹建凤, 林亲
【申请人】中国空间技术研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月19日
最新回复(0)